航天用熱電偶插頭自動焊接工藝對比試驗

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 前言

航天器在研制過程中需要經過熱試驗來驗證其空間環境適應能力。熱試驗過程中一般采用銅-康銅熱電偶來測量特征點的溫度變化。銅-康銅熱電偶是一種常用的測溫元件[1]，由于其響應速度快、制作簡單、重復性好、測溫范圍寬且環境適應性強而得到廣泛應用。

目前，熱試驗改造中熱電偶插頭的焊接工作采用手工焊接方式將航天器甩出的銅線焊接在插頭焊杯中[2]。隨著型號研制工作的增多，手工焊接費時費力、效率低的缺點顯現無遺。為了提高生產效率，改變現有熱電偶插頭的制作工藝，將制作好的熱電偶插頭上的銅線與航天器甩出的銅線通過自動焊接機器人焊接在一起。該工藝方法制作的熱電偶插頭可以重復利用，因此能夠有效提升熱電偶插頭的制作效率。

傳統工藝與自動焊接工藝的區別在于熱電偶增加了一個焊點，并且由于熱電偶插頭反復利用造成插頭銅線與航天器甩出銅線批次不盡相同。為此，本研究將兩種工藝下制作的熱電偶進行工藝對比試驗，包括拉力試驗和環境適應性試驗，研究自動焊接工藝制作的熱電偶插頭的測溫性能，為分析該種熱電偶插頭的可靠性提供依據。

1 試驗系統及原理

銅-康銅熱電偶由銅線與康銅線通過電弧焊、水銀焊接、鹽水焊接等方法焊接制作而成[3]。采用工業上常用的熱電偶校準方法比較法來驗證自動焊接工藝熱電偶的測溫性能[4]。比較法的原理是用被校熱電偶和標準熱電偶同時測量同一個對象的溫度，然后比較兩者示值，以確定被檢熱電偶的基本誤差等質量指標[5]。在航天器熱試驗中，將熱電偶粘貼在航天器上的測溫端，引出的銅線焊接在插頭焊杯中，焊杯中的49與50針短接引出銅線與溫度參考點銅線連接，引出的康銅線匯成一股與溫度參考點康銅線連接。熱電偶插頭通過轉接電纜與真空罐外測試儀器連接。航天器熱試驗銅-康銅熱電偶測溫系統如圖1所示。

圖1 熱電偶測溫系統示意

2 試驗過程

參照GB/T 34035-2017《熱電偶現場試驗方法》要求及試驗原理，分別用傳統工藝制作的熱電偶和自動焊接工藝制作的熱電偶進行耐拉力試驗、正常工況測溫性能試驗和極限拉偏測溫性能試驗，分別從焊點的力學性能及熱電偶測溫性能等方面進行對比分析[6]。

2.1 耐拉力試驗

耐拉力試驗將自動焊接工藝與手工焊接工藝分為兩組，每組12個樣品。用MPT-250B導線拉力測試儀對兩組試驗樣品進行耐拉力測試[7]，試驗過程和拉斷效果如圖2所示。

圖2 熱電偶引線耐拉力試驗

2.2 正常工況測溫性能試驗

在同一熱試驗工況下的兩塊銅板上設置2個測溫點，每個測溫點上粘貼4個熱電偶。其中，2個按照傳統工藝制作，另外2個按照自動焊接工藝制作。自動焊接工藝插頭一端的熱電偶銅線，選擇時間相差較遠的批次，分別為2001年12月生產、2005年1月生產、2008年2月生產和2015年11月生產的批次。熱電偶制作完成后，將2塊銅板分別放于衛星電池板下側和熱沉表面進行試驗并測量數據，測溫點與試驗插頭如圖3所示。

圖3 測溫點與試驗插頭

2.3 極限拉偏測溫性能試驗

此試驗分為低溫拉偏和高溫拉偏兩種工況：低溫拉偏試驗選擇熱試驗所用溫度為-196℃的液氮作為試驗環境，測量自動焊接工藝制作的熱電偶在熱試驗極限低溫下的測溫性能；高溫拉偏試驗將熱風槍溫度調至熱試驗極限高溫220℃對熱電偶進行加熱，測量自動焊接工藝制作的熱電偶在熱試驗極限高溫下的測溫性能，具體試驗過程如圖4所示。

圖4 極限拉偏試驗過程

3 試驗結果及分析

3.1 耐拉力試驗

經過兩組耐拉力試驗，得到耐拉力測試結果如表1、表2所示。

表1 引線自動焊接耐拉力試驗數據

表2 引線手工焊接耐拉力試驗數據

從拉斷外觀來看，引線拉斷端口整齊，為一次拉斷。另外，從拉斷位置來看，焊點處均未發生斷裂，表明焊點強度大于引線本身強度。所以，自動焊接樣品的耐拉力滿足要求。

3.2 正常工況測溫性能試驗

正常工況測溫性能試驗數據曲線如圖5所示，可以看出，每個測溫點的4個熱電偶的測溫數據基本相同。分析測溫點1的試驗數據，傳統工藝與自動焊接工藝制作的熱電偶測溫數值之差最大為0.892℃，傳統工藝制作的熱電偶1、2之間的測溫數值之差最大為0.782℃。分析測溫點2的試驗數據得出，傳統工藝與自動焊接工藝制作的熱電偶測溫數值之差最大為0.925℃，傳統工藝制作的熱電偶3、4之間的測溫數值之差最大為1.453℃。2個測溫點傳統工藝與自動焊接工藝制作的熱電偶測溫差值小于1℃，試驗效果良好，滿足要求[8]。

圖5 測溫點1、2的試驗數據曲線

3.3 極限拉偏測溫性能試驗

極限拉偏測溫性能試驗數據曲線如圖6所示。可以看出，在低溫拉偏試驗中，傳統工藝與自動焊接工藝制作的熱電偶測溫數值之差最大為0.227℃，傳統工藝制作的熱電偶測溫數值之差最大為0.282℃。傳統工藝與自動焊接工藝制作的熱電偶測溫差值較小，試驗效果良好，滿足要求[9]。

在高溫拉偏試驗中，傳統工藝制作的熱電偶測溫數值之差最大為1.869℃，傳統工藝與自動焊接工藝制作的熱電偶測溫數值之差最大為1.834℃。可以看出，高溫拉偏試驗中傳統工藝與自動焊接工藝制作的熱電偶測溫數值之差大于低溫拉偏試驗的測溫數值之差，但傳統工藝制作的熱電偶測溫偏差也較大[10]。其原因為：①無法保證熱電偶的測溫位置嚴格一致，導致測量溫度會有偏差，②大廳中的通風系統使熱風槍的熱風場難保一致，從而造成局部溫差。

4 結論

采用比較法對熱電偶插頭自動焊接工藝進行耐拉力試驗、正常工況測溫性能試驗和極限拉偏測溫性能試驗，主要結論如下：

（1）自動焊接工藝制作的熱電偶其力學性能滿足要求。

圖6 極限拉偏試驗數據曲線

（2）能夠實現正常測溫的功能，測溫數據無中斷，連續測量數據跳動不超過0.1℃，測溫數據變化平滑。

（3）與傳統工藝制作的熱電偶相比，在正常熱試驗工況下，測量數據差異較小，在允許誤差范圍內。

（4）在極限高低溫工況下，當環境溫度絕對一致時，傳統工藝與自動焊接工藝制作的熱電偶測量數據之差在0.3℃以內，測溫性能良好，基本無差異。